DE29815358U1

DE29815358U1 - Kaltverformter Kolben für eine hydraulische Bremse

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Publication number: DE29815358U1
Application number: DE29815358U
Authority: DE
Original assignee: Sander GmbH and Co; ITT Manufacturing Enterprises LLC
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG; Sander GmbH and Co
Priority date: 1998-08-27
Filing date: 1998-08-27
Publication date: 1999-04-08
Anticipated expiration: 2008-08-28

Description

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ITT Manufacturing Enterprises Inc. 20. August 1998

GP/Pro P 8612 Gbm

R. Weiler W. Schiel U. Bach H.-J. Preuß U. Zeibig

Kaltverformter Kolben für eine hydraulische Bremse

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kolben für eine hydraulische Bremse gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 40 03 731 Al ist bereits ein kaltverformter Kolben für eine hydraulisch arbeitende Bremse bekannt, der vorzugsweise im Tiefziehverfahren hergestellt ist, und welcher im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten üblichen gegossenen Kolben verhältnismäßig dünnwandig gestaltet ist. Um die Wände des Kolbens bei einer Kraftbeaufschlagung vor Verformung zu schützen, besitzt der bekannte Kolben einen gewölbten Boden und eine an seinem Umfang einrollierte Nut, welche die Form des Kolbens versteifen. Durch die dünnwandige Ausführung derartiger Stahlkolben gegenüber solchen im Graugußverfahren hergestellten ergibt sich, daß auch die stirnseitige Anlagefläche des Topfrandes am Bremsbelag erheblich verkleinert ist gegenüber gegossenen Kolben. Die Folge ist ein hoher Flächendruck, welcher nicht wünschenswert ist.

Die amerikanische Patentschrift US 5 105 917 offenbart darüber hinaus einen Stahlkolben für eine Scheibenbremse, der durch einen Stanzprozeß hergestellt wird. Der dort beschriebene topfförmige Kolben besitzt eine konstante Wandstärke und verfügt an seinem offenen Ende über einen abgewinkelten Kragen mit einer Anlagefläche für einen Bremsbelag. Dabei ist die Anlagefläche gegenüber der Querschnittsfläche der Kolbenwand vergrößert, um die Flächenpressung am Bremsbelag während einer

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hydraulischen Druckbeaufschlagung zu reduzieren. Durch die einfache Abwinkelung des Kolbenkragens nach außen bzw. innen entstehen jedoch unter Druckbeaufschlagung des insbesondere dünnwandigen Kolbens unerwünschte Belastungsspitzen in der Kolbenwand, die insgesamt die Belastbarkeit eines derartigen Kolbens einschränken.

Ausgehend vom bekannten Stand der Technik besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, die stirnseitige Anlagefläche eines dünnwandigen Kolbens der eingangs genannten Art zu vergrößern und auf preiswerte Weise der eines gegossenen Kolbens anzugleichen ohne die Belastbarkeit des Kolbens einzuschränken.

Diese Aufgabe wird gelöst in Verbindung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1. Das Prinzip der Erfindung liegt darin, am dem dem Bremsbelag zugewandten offenen Ende des topfförmigen Kolbens den Rand der Kolbenwand durch eine spanlose Kaltverformung, beispielsweise Bördeln, gegenüber der Kolbenachse abzuwinkein und somit eine kreisringförmige Anlagefläche für den Bremsbelag einstückig an den Kolben anzuformen. Die einfachste Verfahrensweise zum Abbiegen des Kolbenrandes besteht dabei im Einbördeln des Topfrandes und der anschließenden Überarbeitung der die Anlagefläche bildenden Stirnseite des Kolbens. Diese Anlagefläche ist gegenüber der Querschnittsfläche der dünnen Kolbenwand vergrößert und vermindert damit die Flächenpressung am Bremsbelag durch den Kolben. Weiterhin liegt die Größe des mittleren Radius der Anlagefäche, der im wesentlichen dem resultierenden Kraftübertragungsradius der Anlagefläche während der Druckbeaufschlagung entspricht, zwischen dem Innenradius und dem Außenradius der Kolbenwand. Dadurch werden bei Druckbelastung unerwünschte Biegemomente in der Kolbenwand

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erfolgreich vermieden und der kaltverformte Kolben kann sehr dünnwandig gestaltet werden. Hieraus ergibt sich gegenüber bekannten Kolbenausführungen eine erhebliche Gewichtseinsparung unter Beibehaltung der erforderlichen Kolbenfestigkeit.

Besonders vorteilhaft ist der Rand der Kolbenwand bezogen auf die Kolbenachse in einem Kaltverformungsverfahren radial nach innen abgewinkelt, um den benötigten Bauraum für den Kolben möglichst gering zu halten. Alternativ dazu ist es je nach den vorliegenden Randbedingungen selbstverstäixilich ebenso möglich den Rand mit Anlagefläche für den Bremsbelag radial nach außen abzuwinkein bzw. zu biegen.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung wird der Kolben aus einem Stahlblechzuschnitt mittels eines spanlosen Kaltverformungsverfahrens, &zgr;. B. Tiefziehen, in seine Topfform gebracht sowie am Rand der Kolbenwand abgewinkelt und anschließend wird der Rand zumindest an seiner kreisringförmigen Anlagefläche zum Bremsbelag durch eine Nachbearbeitung, insbesondere eine spanabhebende Bearbeitung, geglättet. Dadurch wird eine maßgenaue und flächige Anlage des Kolbens am Bremsbelag gewährleistet. Weiterhin wird die Nachbearbeitung zur Glättung des abgewinkelten Kolbenrandes vorteilhaft auch auf dessen der Kolbenachse zugewandte Seite ausgedehnt. Damit wird eine eindeutige Fläche zur Anlage bzw. Abstützung einer bremsbelagseitig befestigten Belaghaltefeder geschaffen, wobei die Abstützfläche näher am Bremsbelag angeordnet ist als bei einem herkömmlichen Gußkolben, so daß der für die Belaghaltefederabstützung relevante Hebelarm gegenüber gegossenen Kolben verkürzt ist und ein Belagkippen verhindert wird. Zur

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Verankerung einer derartigen Bremsbelaghaltefeder am Kolben bildet der abgewinkelte Kolbenrand innenliegend eine Schulter aus die von entsprechend gestalteten Enden der Belaghaltefeder hintergriffen werden kann.

In einer weiteren vorteilhaften Ausführungform der Erfindung weist der Kolben an seiner Kolbenwand eine durch ein Kaltverfomungsverfahren eingeformte um die Kolbenachse umlaufende Sicke auf, durch die in der außenliegenden Mantelfläche der Kolbenwand eine umlaufende Nut und entsprechend auf der Innenseite der Kolbenwand eine umlaufende Erhebung entsteht. _&eacgr; Eine derartige Nut kann im eingebauten Zustand des Kolbens in der hydraulischen Bremse insbesondere zur Aufnahme eines Dichtringes oder eines sonstigen Dichtelementes dienen. Allgemein wird die Sicke bevorzugt erst abschließend in die Kolbenwand eingeformt, d. h. nachdem der Kolbenrand abgewinkelt und geglättet wurde. Dabei liegt die Größe des mittleren Anlageflächenradius am Kolbenrand zwischen dem Innenradius und dem Außenradius der Sicke. Dadurch wird bei Druckbeaufschlagung des Kolbens eine günstige Kraftübertragung durch die Kolbenwand und den besonders gefährdeten Sickenquerschnitt gewährleistet und zwar im wesentlichen frei von einer Biegemomenten-Beanspruchung in der Sicke bzw. der Kolbenwand.

Gemäß einer bevorzugten Ausführung des Kolbens mit möglichst großer Gewichtseinsparung ist die Sickenwandstärke kleiner als die Kolbenwandstärke und die Kolbenwandstärke wiederum kleiner als die Wandstärke des Kolbenbodens. Dadurch kann der Kolben je nach Belastungsanforderung mit sehr geringer Wandstärke und damit minimalem Materialaufwand ausgelegt werden.

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Eine nähere Erläuterung des Erfindungsgedankens erfolgt nun anhand der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in drei Figuren.

Es zeigt:

Fig. 1 einen erfindungsgemäßen Kolben im Längsschnitt,

Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Fig. 1

Fig. 3 eine Überlagerung eines Vertikalschnittes durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit einem entsprechenden Ausschnitt aus einem gegossenen Kolben zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Hebelarme für eine Belaghaltefeder.

Fig. 4 eine Überlagerung eines Horizontalschnittes durch einen erfindungsgemäßen Kolben mit einem entsprechenden Ausschnitt aus einem gegossenen Kolben zur Veranschaulichung der unterschiedlichen Verankerungsschultern für eine Belaghaltefeder.

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen, durch eine spanlose Kaltverformung aus einem Stahlblechzuschnitt hergestellten Kolben 1 für eine hydraulische Bremse, insbesondere eine Teilbelagscheibenbremse für Kraftfahrzeuge. Die Formgebung des Kolbens 1, der im wesentlichen als einseitig offener zylindrischer Topf gestaltet ist, erfolgt dabei vorzugsweise durch eine Tiefziehbearbeitung bzw. ein tiefziehähnliches Blechumformverfahren. Der Kolben 1 besitzt einen verdickten Kolbenboden 2, der auf diese Weise gegen Verformungen geschützt und damit zur Beaufschlagung mit hydraulischem Druck einer insbesondere Kraftfahrzeugbremse

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geeignet ist, und eine dünne Kolbenwand 4, die am offenen Ende des topfförmigen Kolbens 1 in einen abschließenden abgewinkelten Rand 3 übergeht.

Die Form des Topfbodens steht dabei aber in keinem Zusammenhang mit der Erfindung, so daß der Boden 2 auch gemäß dem Stand der Technik gewölbt oder auf eine andere Weise profiliert ausgebildet sein kann. In der in den Figuren gezeigten Kolbenausführung ist der Kolbenboden 2 in seiner Wandstärke W_B gegenüber der Kolbenwandstärke W_K verdickt ausgebildet.

An seinem offenen Ende besitzt der Kolben einen gegenüber der Kolbenachse 9 insbesondere rechtwinklig abgewinkelten Rand 3, an dem eine kreisringförmige Anlagefläche A für einen nicht gezeigten Bremsbelag vorgesehen ist. Dabei ist die Anlagefläche A größer als die Querschnittsfläche der Kolbenwand. Diese Anlagefläche A entspricht in ihrer Größe im wesentlichen der Größe der Anlagefläche, welche üblicherweise ein im Graugußverfahren hergestellter Kolben aufweist. Das heißt, daß für den erfinderisch gestalteten Kolben trotz seiner dünnwandigen Formgebung bei hydraulischer Druckbeaufschlagung gegenüber einem entsprechenden Gußkolben die gleiche bzw. sogar eine reduzierte Flächenpressung am Bremsbelag erreicht wird. Die unerwünschte Schädigung möglicherweise verwendeter Dämpfungselemente am Bremsbelag kann damit aufgrund geringer Flächenpressung infolge großer Anlagefläche A unterbunden werden.

Die Wand 4 des Kolbens 1 weist in der Nähe des Randes 3 eine um die Kolbenachse 9 umlaufende radiale Sicke 5 auf, welche ebenfalls durch eine spanlose Kaltverformung, beispielsweise durch Rollieren, in die Kolbenwand eingebracht wird. Durch die

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Sicke 5 wird auf der außenliegenden Mantelfläche 10 der Kolbenwand 4 eine umlaufende Nut 6 ausgebildet während auf der radialen Innenseite der Kolbenwand 4 eine Erhebung 8 entsteht. Im montiertem Zustand des Kolbens innerhalb einer nicht gezeigten hydraulischen Bremse kann die Nut 6 zur Aufnahme eines Dichtringes oder eines sonstigen Dichtelementes dienen. Die Erhebung 8 liefert gleichsam eine einfache Möglichkeit zur Abstützung bzw. Verankerung einer in den Figuren 3 und gezeigten bremsbelagseitig befestigten Belaghaltefeder

Allgemein wird der Kolben während seines Herstellprozesses zunächst durch spanlose Kaltverformung, insbesondere durch Tiefziehen, eines Stahlblechzuschnittes in seine einseitig offene Topfform gebracht. Anschließend wird der Rand 3 insbesondere im Umbördelverfahren bzw. einem sonstigen Kaltverformungsverfahren radial nach innen gebogen. Daraufhin wird die bremsbelagseitige Stirnfläche des Randes 3 insbesondere spanend nachbearbeitet, so daß eine glatte Anlagefläche A entsteht, an der der Bremsbelag flächig anliegen kann. Vorteilhafterweise wird die Nachbearbeitung zur Glättung auf die der Kolbenachse zugwandte Fläche 12 des Randes 3 ausgedehnt. Diese Fläche 12 dient im montierten Zusatnd des Kolbens 1 der Abstützung eines entsprechenden Schenkels der bereits erwähnten Belaghaltefeder. Schließlich wird die Sicke 5 vorzugsweise i einem Rollierverfahren in die Kolbenwand eingeformt. Analog dazu können selbstvertsändlich auch entsprechende Kaltverformungsverfahren zum Einsatz kommen. Der Vorteil dieser Kaltverformungsverfahren liegt in der hohen Kaltverfestigung des Kolbenwandabschnittes, in dem die umlaufenden Sicke 5 liegt. Dadurch wird trotz einer Materialschwächung, da die Sickenwandstärke W₃ gegenüber der Kolbenwandstärke W_K reduziert ist, die erforderliche Festigkeit des Kolbens im Bereich der Sicke 5 erreicht. Besonders günstig

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kann dabei die Sickeneinformung erst dann erfolgen, wenn der abgewinkelte Rand 3 mit Anlagefläche A bereits fertiggestellt ist.

Zur detailierteren Betrachtung der Formgebung des abgewinkelten Randes 3 mit Anlagefläche A sowie der umlaufenden Sicke 5 ist der entsprechende Ausschnitt der Fig. 1 in Fig. 2 vergrößert wiedergegeben. Die Bereitstellung bzw. Formgebung des Randes 3 mit kreisringförmiger Anlagefläche A erfolgt dabei derart, daß das Maß für den mittleren Radius R&ldquor; der Anlagefläche zwischen dem Maß für den^lnnenradius R₁ und dem für den Außenradius R_A liegt. Hierbei entspricht der durch den mittleren Radius R_M bestimmte Kreis im wesentlichen der Linie, an der die resultierende Kraftübertragung vom Kolben auf den Bremsbelag bei Druckbeaufschlagung angenommen werden kann. Besonders vorteilhaft fluchtet diese kreisförmige, resultierende Kraftübertragungslinie auch noch mit kreisringförmigen Querschnittsfläche der Sicke 5. Das heißt, das Maß für den mittleren Radius R_M der Anlagefläche A liegt zusätzlich zwischen dem Maß für den Innenradius R_SI und dem für den Außenradius R_SA der Sicke 5. Bei einer derartigen Gestaltung der Anlagefläche A relativ zur Sicke 5 bzw. der Kolbenwand 4 wird die hydraulische Druckkraft sehr materialschonend durch den Kolben übertragen, da sowohl die dünne Kolbenwand 4 als auch der zusätzlich geschwächte Sickenquerschnitt im wesentlichen frei von einer Biegebeanspruchung bleiben.

Der nach innen gebogene Rand 3 bildet im Innenraum des Kolbens 1 eine Schulter 7 und dient zur Abstützung einer Belaghaltefeder 20. Die Erhebung 8 ist durch das Einformen der Sicke 5

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im Kolbeninneren hervorgetreten. Dies bietet Vorteile zur Abstützung und Verankerung einer Belaghaltefeder, die aus Fig. 3 und 4 deutlich werden.

In Fig. 3 und Fig. 4 sind in überlagerter Darstellung ein mit gestrichelter sowie grob schraffierter Linienführung abgebildeter Gußkolben 11 und ein mit durchgezogener sowie fein schraffierter Linienführung abgebildeter, im spanlosen Kaltverformungsverfahren hergestellter Kolben 1 gemäß der Erfindung gegenübergestellt. Die um die Kolbenachse 9 umlaufende Nut 6 der beiden Kolben ist dabei deckungsgleich genauso wie die entsprechenden Anlageflächen A. Es ist außer einem der Fig. 2 entsprechenden Ausschnitt aus den beiden Kolben auch noch eine Belaghaltefeder 20 dargestellt, die mit ihrer nicht dargestellten Fortführung an einem an der Anlagefläche A angeordneten Bremsbelag befestigt. Am kaltverformten Stahlkolben 1 (durchgezogen) kann sich der Federarm der Belaghaltefeder 20 bereits an der Stelle &khgr; abstützen. Am gegossenen Kolben 11 liegt die Abstützung der gestrichelt dargestellten Belaghaltefeder 21 weiter von der Anlagefläche A und somit vom Bremsbelag entfernt, dessen Rückenplatte bis zur Ebene 22 reicht. Daraus ergeben sich für die Abstützung der Belaghaltefeder im Falle des Gußkolbens 11 ungünstigere Hebelarme die zu einem unerwünschten Belagkippen führen können.

Der Schnitt in Fig. 4 ist gegenüber der Darstellung aus Fig. um 90° gedreht. Hier ist einer der zwei weiteren Arme der Belaghaltefeder 20 bzw. 21 zu sehen, welcher Vibrationen dämpfen und somit Gräusche mindern soll. Beim erfindungsgemäßen Kolben 1 greift der Arm der Belaghaltefeder 2 0 hinter die ohnehin vorhandene Eerhebung 8, die beim Einrollieren der Sicke 5 entstanden ist. Am gegossenen Kolben 11 muß durch ein

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spanabhebendes Verfahren zunächst eine entsprechende Schulter 18 in die Wand 14 eingefräst werden.

Gegenüber einem Graugußkolben ergeben sich weitere Vorteile
wie beispielsweise eine Gewichtsreduzierung um über 100 g pro Kolben, da der kaltverformte Kolben an die
Belastungsbedingungen angepaßt sehr dünnwandig gestaltet
werden kann. Darüber hinaus fallen beim kaltverformten Kolben Lunker- und Porositätsprobleme weg, wie sie bei Graugußkolben auftreten.

Claims

ITT Manufacturing Enterprises, Inc. P 8612 Gbm Schutzansprüche

1. Kolben (1) für eine hydraulische Bremse, welcher als einseitig offener topfartiger Hohlzylinder gestaltet ist und aus Stahl in einem spanlosen Kaltverformungsverfahren hergestellt ist, mit einem von hydraulischem Bremsdruck beaufschlagbaren Boden (2) und mit einer Kolbenwand (4), die in einen einem Bremsbelag zugewandten Rand (3) übergeht, wobei der Rand (3) bezogen auf die Kolbenachse (9) abgewinkelt ist und eine kreisringförmige Anlagefläche (A) für den Bremsbelag aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anlagefläche (A) größer ist als die Querschnittsfläche der Kolbenwand (4), wobei das Maß für den mittleren Radius (R_M) der Anlagefläche (A) zwischen dem Maß für den Innenradius (R₁) und dem für den Außenradius (R_A) der Kolbenwand (4) liegt.

2. Kolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (3) des Kolbens (1) bezogen auf die Kolbenachse (9) radial nach innen abgewinkelt ist.

3. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (3) zumindest an seiner Anlagefläche (A) durch eine Nachbearbeitung geglättet ist.

4. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (3) an seiner der Kolbenachse (9) zugewandten Seite durch Nachbearbeitung geglättet ist.

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5. Kolben zumindest nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der radial nach innen abgewinkelte Rand (3) eine Schulter (7) zur Verankerung der Enden einer bremsbelagseitig befestigten Belaghaltefeder (20) bildet.

6. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenwand (4) eine in einem spanlosen Kaltverformungsverfahren eingeformte um die Kolbenachse (9) umlaufende Sicke (5) aufweist, die in der außenliegenden Mantelfläche (10) der Kolbenwand (4) eine

«umlaufende Nut (6) ausbildet und auf der Innenseite der Kolbenwand (4) eine umlaufende Erhebung (8) bildet.

7. Kolben nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Maß für den mittleren Radius (R&ldquor;) der Anlagefläche (A) zwischen dem Maß für den Innenradius (R_Si) und dem für den Außenradius (R_SA) der Sicke (5) liegt.

8. Kolben zumindest nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Sickenwandstärke (W_s) kleiner ist als die Kolbenwandstärke (W_K) .

9. Kolben nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenwandstärke (W_K) kleiner ist als die Wandstärke (W_B) des Kolbenbodens (2).